Die Wahl der richtigen HDD

Entscheidend: Zuverlässigkeit und Einsatzbedingungen

| Autor / Redakteur: Rainer W. Käse* / Dr. Jürgen Ehneß

Für jeden Zweck die richtige Festplatte – aber welche?
Für jeden Zweck die richtige Festplatte – aber welche? (Bild: © rcx - stock.adobe.com)

An Festplatten für die kostengünstige Bereitstellung von Speicherkapazität führt nach wie vor kein Weg vorbei. Unterschiedliche Anwendungsfälle erfordern dabei den Einsatz unterschiedlicher HDDs. Die entscheidenden Auswahlkriterien sind Zuverlässigkeit und Einsatzbedingungen.

Das Datenvolumen wächst weiterhin ungebremst, und die Herausforderungen für Unternehmen und Privatanwender im Storage-Bereich steigen kontinuierlich. Im Hinblick auf Effizienz, Sicherheit und Kosten ist es essenziell, die jeweils richtigen Laufwerke für die verschiedenen Anwendungsfälle zu nutzen.

Ein entscheidendes Kriterium ist dabei die Zuverlässigkeit einer HDD, die von mehreren Faktoren wie Produktspezifikation, Umgebungsbedingungen, Workload oder konkreter Verwendung abhängt. Vor allem die Aspekte Betriebsdauer, Herstellergewährleistung, Mean Time To Failure (MTTF) und Annualized Failure Rate (AFR) müssen eingehend berücksichtigt werden.

Von großer Bedeutung ist die tägliche Betriebsdauer. Sie bezieht sich auf die Einsatzdauer pro Tag, für die ein Speichermedium ausgelegt wurde. Während HDDs für Enterprise-Anwendungen für den Dauereinsatz konzipiert sind – 24 Stunden am Tag, sieben Tage die Woche und 365 Tage im Jahr (24/7/365 oder 24/7) –, fällt die Betriebsdauer von Consumer- und Client-Laufwerken geringer aus: Bei Speichermedien, die für Desktop-PCs oder Notebooks konzipiert wurden, liegt sie in der Regel bei acht bis 16 Stunden pro Tag.

Zuverlässigkeit

Auch hinsichtlich der Gewährleistung gibt es Unterschiede. Hersteller garantieren die Zuverlässigkeit eines Speichermediums typischerweise für fünf Jahre bei Enterprise-Komponenten und für zwei bis drei Jahre bei Client-Produkten. Dies gilt unter der Bedingung, dass die Beschränkungen hinsichtlich der Betriebsdauer (bei nicht für den 24/7-Betrieb ausgelegten Produkten) oder der Einsatzbedingungen eingehalten werden.

Außerdem sind im Hinblick auf die Zuverlässigkeit einer Festplatte die Herstellerangaben zur MTTF zu berücksichtigen. Die MTTF (gemessen in Stunden) ist ein statistischer Wert, der die Zeit bis zum Auftritt des ersten Fehlers bei technischen Geräten angibt. Die für Speicherkomponenten typische MTTF von einer Million Stunden (entspricht 114 Jahren) bedeutet, dass bei einem Betrieb von einer Million Laufwerken innerhalb eines Speichersystems der Ausfall eines Laufwerkes pro Stunde zu erwarten ist, wenn die Laufwerke unter Beachtung der Spezifikationen zur Zuverlässigkeit betrieben werden. Bei einem Betrieb von 1.000 Laufwerken kann ein Ausfall dann alle 1.000 Stunden (entspricht 41 Tagen) auftreten.

Für Laufwerke im 24/7-Betrieb kann, basierend auf der MTTF, die erwartete statistische Fehlerrate pro Jahr (Annualized Failure Rate – AFR) mit der links stehenden Formel berechnet werden.

Die Reduzierung durch einen exponentiellen Wert ist nötig, weil statistisch auch die bereits ausgefallenen Laufwerke berücksichtigt werden müssen. Bei niedrigen Annualized-Failure-Raten kann dies allerdings vernachlässigt werden, und die Formel vereinfacht sich, wie links zu sehen ist.

Das bedeutet, dass neun von 1.000 Laufwerken pro Jahr in der Garantielaufzeit ausfallen können.

Betriebs- und Umgebungsbedingungen

Neben den Zuverlässigkeitskriterien einer Festplatte müssen auch die konkreten Betriebs- und Umgebungsbedingungen beachtet werden: Das betrifft hauptsächlich Betriebstemperatur, Rated Workload, Load/Unload-Zyklen und Start-Stopp-Zyklen. Wenn ein Hersteller einen konkreten MTTF-Wert über einen bestimmten Zeitraum gewährleistet, macht er dies nur unter der Voraussetzung, dass das Laufwerk unter bestimmten Umgebungsbedingungen und Arbeitsbelastungen betrieben wird.

Betriebstemperatur

Laufwerke sind auf den Betrieb in einem bestimmten Temperaturbereich ausgelegt. Typischerweise liegt der Bereich für den Einsatz einer Festplatte, die für Rechenzentren mit Kühlungssystemen konzipiert sind, bei 5 °C bis 55 °C. Consumer- oder Client-Laufwerke sind für Betriebstemperaturen zwischen 0 °C und 60 °C ausgelegt, während Laufwerke für Industrieanwendungen für einen erweiterten Temperaturbereich von -40 °C bis zu 85 °C spezifiziert sein können. Die Temperaturangaben beziehen sich üblicherweise auf die Umgebungstemperatur (Ta) – die Temperatur der Luft außerhalb des Gerätes, um das Gerät herum – oder die Gehäusetemperatur (Tc), die unmittelbar auf der Gehäuseoberfläche gemessen wird. Bei Nichteinhaltung der Temperatur können die Komponenten schneller verschleißen: Die Mean Time To Failure verkürzt sich, und die Annual Failure Rate erhöht sich exponentiell.

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Rated Workload

HDDs enthalten mechanische Komponenten, die durch ständige Bewegung belastet werden. Folglich hat auch die Arbeitsbelastung, das heißt die Anzahl der Lese- oder Schreibvorgänge, einen Einfluss auf die Zuverlässigkeit. Deshalb spezifizieren HDD-Hersteller die maximale jährliche Arbeitslast, für welche die MTTF- und AFR-Werte gültig sind. Eine typische „Rated Workload“ liegt bei Client-Geräten bei bis zu 55 Terabyte (TB) pro Jahr, bei Enterprise-Laufwerken bei bis zu 550 TB pro Jahr und bei Network-Attached-Storage- (NAS-), Video- und Überwachungssystemen bei 180 TB pro Jahr. Dabei unterscheiden die Hersteller bei einer HDD nicht zwischen Schreib- oder Lesezugriffen.

Load/Unload-Zyklen

Wenn eine Festplatte in den Ruhezustand versetzt wird, parkt der Actuator-Arm den Schreib-/Lesekopf auf einer mechanischen Rampe, um eine Beschädigung des rotierenden Mediums zu verhindern. Durch die dadurch entstehenden mechanischen Belastungen ist die Anzahl der so genannten Load/Unload-Zyklen begrenzt. Aktuelle Laufwerke können aber mehrere Hunderttausend Load/Unload-Vorgänge durchführen. Dadurch gibt es diesbezüglich nahezu keine Beschränkungen.

Start-Stopp-Zyklen

Festplatten, die nicht für den 24/7-Betrieb ausgelegt wurden, sind für eine maximale Anzahl von Start-Stopp-Vorgängen des Spindelmotors spezifiziert. Üblicherweise liegt ein solcher Wert bei 10.000 bis 50.000 Start-Stopp-Zyklen.

Die unterschiedlichen HDD-Klassen im Überblick

Im Hinblick auf unterschiedliche Anforderungen hinsichtlich Zuverlässigkeit und Einsatz gibt es verschiedene HDD-Klassen. Zu unterscheiden sind vor allem Enterprise-Performance, Enterprise-Kapazität, NAS, Video und Überwachung sowie Consumer und Desktop.

Die HDDs der Enterprise-Performance-Klasse sind für unternehmenskritische Applikationen im 24/7-Betrieb ausgelegt. Die 2,5-Zoll-Festplatten mit einer Serial-Attached-SCSI (SAS)-Schnittstelle bieten 10.000 bis 15.000 Umdrehungen pro Minute, 500 Input/Output Operations Per Second (IOPS) und bis zu 2,5 TB Speicherkapazität. Hersteller spezifizieren eine MTTF von bis zu zwei Millionen Stunden. Die Festplatten sind für eine Workload von 550 TB pro Jahr konzipiert; bei einer kontinuierlichen Datenübertragungsrate von 200 MB/s über den fünfjährigen Gewährleistungszeitraum kann die Rated Workload unbegrenzt sein.

Zentrale Parameter der unterschiedlichen HDD-Klassen in der Übersicht.
Zentrale Parameter der unterschiedlichen HDD-Klassen in der Übersicht. (Bild: Toshiba Electronics Europe)

Die ebenfalls für den 24/7-Betrieb ausgelegten HDDs der Enterprise-Kapazitäts-Klasse mit SAS- oder Serial-ATA-Schnittstelle(SATA) bieten 2019 bis zu 16 TB Speicherkapazität. Sie sind vor allem für Nearline-Storage-Anwendungen gedacht, etwa für Shared-Laufwerke, Cloud-Storage oder Archivierung. Neben der Rated Workload von 550 TB pro Jahr zeichnen sie sich hauptsächlich durch die hohe Verfügbarkeit aus. Die MTTF können bei bis zu 2,5 Millionen Stunden liegen.

Die NAS-HDDs mit SATA-Schnittstelle und bis zu 14 TB eignen sich für den Einsatz bei NAS-Systemen im privaten Bereich, bei Heimarbeitsplätzen und kleinen Büros oder bei Unternehmen. Zu den Eckwerten zählen der 24/7-Betrieb, eine Rated Workload von 180 TB pro Jahr über die dreijährige Garantielaufzeit und eine MTTF von einer Million Stunden.

HDDs für Videokameras und Überwachungssysteme erfordern einen 24/7-Betrieb. Sie sind 2019 mit bis zu 10 TB verfügbar. Die Festplatten mit SATA-Schnittstellen sind für eine Workload von 180 TB pro Jahr (bezogen auf die dreijährige Garantie) konzipiert und bieten eine MTTF von einer Million Stunden. Typischerweise sind HDDs dieser Kategorie für einen größeren Temperaturbereich ausgelegt, da Überwachungssysteme oft auch an Orten eingesetzt werden, die nicht so exakt gekühlt werden wie Serverräume in Rechenzentren. Zu den kritischsten Faktoren für diesen Laufwerkstyp zählen Firmware-Besonderheiten, die Video- und Streaming-spezifische Anforderungen unterstützen. So wird zum Beispiel die maximal mögliche Zeit für eine Fehlerkorrektur begrenzt, um Unterbrechungen des Video-Streams zu vermeiden; dabei wird ein Datenframe weggelassen, eine für Bild-Streaming-Applikationen akzeptable Möglichkeit.

Die letzte Kategorie sind die Consumer- und Desktop-Festplatten. Sie verfügen über eine SATA-Schnittstelle und sind 2019 mit bis zu 10 TB verfügbar. Es handelt sich dabei um die kostengünstigste HDD-Klasse, die demzufolge auch einige Beschränkungen aufweist. So liegt die Betriebsdauer nur bei acht Stunden pro Tag, die Workload bei lediglich 55 TB pro Jahr über die zweijährige Garantielaufzeit und die MTTF bei 600.000 Stunden.

Insgesamt kann festgehalten werden, dass bei Festplatten nicht nur Kapazität und Preis entscheiden. Für das Speichern von Daten sollten immer auch die Zuverlässigkeitsspezifikationen und Betriebs- und Umgebungsbedingungen der Festplatten eine wichtige Rolle spielen: Entscheidet sich der Anwender für die „richtige“ Variante, steht einem effizienten, sicheren HDD-Einsatz nichts mehr im Weg.

*Der Autor: Rainer W. Käse, Senior Manager Business Development Storage Products, Toshiba Electronics Europe

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